【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体混合物中易吸附组份的回收，特别是用变压吸附法从空气中回收氮气。许多化工生产过程、炼油、金属冶炼和其它工业部门都需要用高纯氮气来进行清洗，复盖和提供金属加工环境以及用于其它目的。上述这些设备也常用富氧气体来达到各种目的。显然，可以用各种众所周知的空气分离技术来制取氮气和氧气。在许多场合，变压吸附法(PSA)特别适用于多种用途的空气分离，它尤其适用于小规模生产，因为建造规模小的低温空气分离装置在经济上是不可取的。在变压吸附过程中，使原料气体混合物通过吸附剂床层。原料气体混合物由易吸附组份和难吸附组份组成。在较高的吸附压强下，上述床层能够选择性地吸附其中的易吸附组份。然后，床层减压至较低的解吸压强，使上述易吸附组份解吸。在加入另外的原料气体混合物之前，从床层中移出上述组份，如此在上述床层中继续进行吸附-解吸循环。本领域的熟练技术人员会很容易了解到变压吸附法通常采用多床系统。在这种系统中，每个床层都经历变压吸附过程的一系列操作，并在循环周期内，与其它床层中进行的一系列操作密切相关。为了改进变压吸附过程，特别是为了减少投资费用，增加可靠性和降低操作费用，以及降低单位数量产品的能耗，已经作了很多尝试。这些总目标中的一个具体目标是在生产高纯度产品的同时，能够生产相当纯度的副产品，用来分离空气和其它气体的Batta专利(美国专利3636679号)公开了将变压吸附循环应用于两个或更多个床层。从床层的两端同时分别加入原料气体和产品气体，使处于较低的解吸压强的床层局部增压。接着单独加入原料气体，使床层进一步增压至较高的吸附压强。然后，从床层的气体排放口排出难吸附...
【技术保护点】
从空气中选择性地吸附氮气并回收高纯度的氮气产品的绝热变压吸附系统，在该系统中至少含有两个吸附剂床层，每个床层按循环周期，经过一系列操作步骤，包括：ａ）在床层的原料气入口加入原料空气。在此之前或与此同时将从系统中另一个床层的气体排放口采出 的付产气体，从该床层的气体排放口加入至床层，使床层的压强从低于大气压的解吸压强增至中等压强；ｂ）从上述床层的原料气入口加入原料空气，同时从上述床层的气体排放口加入或不加入付产气体，使床层的压强从中等压强增至较高的吸附压强；ｃ）在上述 较高吸附压强下，从床层的原料气入口加入伴流吹扫氮气，从床层的气体排放口置换出付产气体。从正在由解吸压强增压的床层的气体排放口加入一部分上述付产气体。上述伴流吹扫步骤一直进行到当上述付产气体中氮的浓度达到予先给定的值时为止。上述付产气体中氮的浓度是不断增加的。ｄ）在上述流出气体中，氮的浓度达到上述给定值后，在上述较高吸附压强下从床层的原料气入口加入补充的伴流吹扫氮气。这种补充置换出的流出气体中的氮气浓度高于予先给定的值。将这部分气体送入系统中一个正在从中等压强增压至较高的吸 附压强的和（或）处于较高...
【技术特征摘要】
US 1985-3-7 709,171中具体指出。变压吸附过程的步骤包括(1)增压;(2)伴流吹扫;(3)逆流减压至较低的解吸压强，因而提高了气体混合物中易吸附组份的回收率和纯度。为此目的，在较高压强下，用易吸附组份进行伴流吹扫，其中一部分从床层中采出的副产气体作为难吸附组份副产气体被回收，另外一部分从气体排放口加入至床层，同时从床层的原料气入口加入原料气体，使床层增压。在床层部分增压后，从原料气入口加入第三部分采出的副产气体。在逆流减压阶段，从床层的原料气入口采出的气体紧接着被用作伴流吹扫气体。在不同的实施例中可得到回收率高、纯度高的易吸附组份产品气体，同时还可得到回收率较高的难吸附组份富集副产气体。在这里叙述和申请专利权的本发明能够以优良的方式实现它的目的，即希望能够从原料空气中分离和回收高纯度的易吸附组份-氮气。并且也以较高的回收率回收富氧副产气体混合物，即原料空气中难吸附组份，这进一步提高了本发明在变压吸附过程方面的实用性。下文将指出，本发明除了用于上述的空气分离外，还能够用于多种用途的气体分离，即用变压吸附法回收气体混合物中易吸附组份作为目的产品。不过，为了方便起见，以下只引用以回收氮气作为目的产品的空气分离操作来说明本发明过程的各个步骤以及可允许的调整。能够实现本发明目的、适用于空气分离、并允许做某些调整的本发明变压吸附循环，包括(1)、增压，使每个吸附剂床层从低于大气压的较低的解吸压强增至较高的吸附压强;(2)、伴流吹扫，即在上述较高吸附压强下，从床层的原料气入口加入易吸附组份气体，从床层的气体排放口采出增浓了的难吸附组份气体;(3)、逆流减压，即从床层的原料气入口采出增浓了的易吸附组份气体，与此同时，床层被减压至上述的低于大气压的较低的解吸压强。采用此处公开和申请专利权的变压吸附循环、并做某些具体的调整，能制得纯度高，收率高的易吸附组份-氮气，同时可以得到较高回收率的富氧副产气体。床层开始处于低于大气压的较低的解吸压强，回收易吸附组份氮气产品后，用原料气体和采出的副产气体将床层的压强由上述较低的解吸压强增至较高的吸附压强。从床层原料气入口和气体排放口同时或先后将气体加入正待增压的床层，使床层的压强从上述的低于大气压的较低的解吸压强增至上述的吸附压强，在该压强下进行氮气伴流吹扫。在一个实施例中，原料空气通入床层的原料气入口，使床层增压，同时将上述采出的副产气体通入上述床层的气体排放口，有时称之为“氧气回填”。在一个适宜的实施例中，从床层的气体排放口加入上述采出的副产气体，首先使床层部分增压，例如增压至总压的20%或更小，然后同时从床层的原料气入口和气体排放口继续使床层增压。也可以采用上述“氧气回填”方法，使床层增压至中等程度压强，然后加入原料空气，使床层进一步增压至所需要的较高的吸附压强。另外，将按下文所述方法得到的富氮再循环气体通入床层的原料气入口，在中等至最高吸附压强的范围内进行吸附。在加入再循环气体期间，可以停止将原料空气加入床层。在逆流减压和从床层的原料气入口采出氮气之前，在较高的吸附压强下，将伴流吹扫气体-氮气从床层的原料气入口加入床层，从床层的气体排放口置换出副产气体。不过，这种采出的副产气体中的一部分不从系统中移除，而是按上述方法，从床层的气体排放口加入至正在增压的床层。由于在上述较高吸附压强下，从床层的原料气入口加入伴流吹扫氮气以及从该床层的气体排放口采出副产气体，将增加采出的副产气体中的氮含量，这是十分有益的。当氮气伴流吹扫继续进行时，在采出的副产气体中氮的浓度将达到预先给定的值对于一定的应用场合，氮的浓度可以按需要适当给定，这将是十分有益的。这个浓度值最好是这样的，即采出的副产气体中的氧浓度约小于上述副产气体中的氧浓度的30%，最好小于或等于空气中的氧浓度。当采出的副产气体中氮的浓度达到预先给定的浓度后，从床层的原料气入口继续加入其余的伴流吹扫氮气，使床层基本上仍处于上述的较高的吸附压强下。与先前采出的富氧副产气体不同，从床层气体排放口采出的富氮气体不再作为副产气体回收或将其从床层的气体排放口加入，使床层增压。相反，将这部分氮浓度高于预定值的被置换出来的气体送入吸附系统中的另一个床层的原料气入口进行再循环。该床层处于上述的中等压强至上述的较高吸附压强范围内。待完成伴流吹扫步骤后，即在伴流吹扫期间采出的气体浓度达到所需要的终值时，例如氮浓度达到约95%或99%时，使床层从较高的吸附压强逆流减压至较低的压强。从床层的气体入口采出富氮气体。这种富氮气体可用氮气伴流吹扫气体和(或)产品气体。在实施本发明时，床层应进行逆流减压，为此采取抽真空减压的办法，使床层从上述步骤中已达到的较低的压强降至上述的低于大气压的压强。在此期间，从床层的原料气入口采出已解吸了的高纯度气体。在本发明的一个具体的实施例中，它可用作产品氮气和(或)伴流吹扫气体。从床层中采出氮气并真空减压至低于大气压强后，床层处于补充加料状态，此时可分别从气体排出口和原料气入口加入副产气体和原料空气。上述操作步骤在循环周期内不断重复可保证吸附系统的连续操作。在实施本发明时，在伴流吹扫阶段采出的氮气浓度高于预定值的补加气体，可以在床层增压阶段或在较高的吸附压强下，在开始用氮气进行伴流吹扫之前，进入系统另一床层的原料气入口进行再循环。例如，在一个实施例中，将氮气浓度高于预定值的上述补加气体再循环，与原料空气一起或在加入原料空气后从床层的原料气入口加入床层，使床层的压强增至较高的吸附压强。在另一个实施例中，在往床层中加入伴流吹扫氮气前，在较高的吸附压强下，从床层的原料气入口加入上述补加气体进行再循环。本发明能有利地应用于吸附系统中，从空气中选择性地吸附氮气或从气体混合物中选择性地吸附其它易吸附组份。这里至少要使用两个吸附剂床层，每个床层都应经历本公开和权利要求中所提出的循环过程，并以适当的顺序与系统中的其它床层相连接，以保证这种系统能够进行连续的气体分离操作。在本发明通常推荐选用的实施例中，采用三个或四个吸附剂床层。不言而喻，为了强化已选用的具体系统的操作，在实施本发明的过程中允许作一些调整。例如，在一个实施例中，在给定的时间内，原料气体不是进入一个床层，而是进入几个床层以利于操作。下面的表格说明本发明用于空气分离和氮气产品回收的循环过程，它表示本发明的一个具体的实施例-三床吸附体系操作过程。表床层号 操作步骤1 增压 伴流吹扫 两步逆流减压2 伴流吹扫 两步逆流减压 增压3 两步逆流减压 增压 伴流吹扫在表中，对于每个床层，Pr表示增压步骤，其中原料空气从原料气入口进入床层，从系统中另一个床层的气体排放口采出的部分富氧副产气体，从床层的气体排放口加入该床层，使床层的压强增至中等程度。这以后从上述床层的原料气入口加入补加的原料空气，使床层的压强进一步增加，然后用从上述的另一个床层采出的循环气体完成床层的增压，达到较高的吸附压强，或在较高的吸附压强下，将上述循环气体加入床层。上述压强是进行伴流吹扫时的操作压强。CO-P表示在较高的吸附压强下进行的上述伴流吹扫步骤。这里，在逆流减压步骤中回收的氮气被用作伴流吹扫气体，从床层的原料气入口加入并从床层的气体排放口置换出富氧副产气体。一部分上述副产气体从床层的气体排放口加入至一个正在被增压的床层，而另一部分则作为副产气体或废气直到达到预先给定的氮气浓度为止。然后，继续进行上述的伴流吹扫步骤，置换出氮浓度高于预先给定值的补充气体并循环进入正在增压的床层的原料气入口，条件是(1)在用原料空气使床层增压至较高的吸附压强，和(或)(2)为了完成上述的增压步骤停止加入原料空气时，和(或)(3)在进行上述伴流吹扫步骤前或开始时。BD/Evac表示两步逆流减压步骤，第一步使床层减压至低于上述的较高的吸附压强，第二步进一步使床层减压至低于大气压强，从床层的原料气入口采出高纯度氮气和伴流吹扫气体。可见，在本发明的这种三床系统实施例中，其中一个床层用原料空气和按上述方法加入的副产气体增压，与此同时，第二个床层处于伴流吹扫步骤，第三个床层则处于逆流减压步骤。首先用排气方法使床层降至较低的压强，然后，抽真空使床层进一步降至低于大气压的解吸压强。如果吸附压强的上限为大气压，那么两步顺序减压可合并为抽真空。在本发明类似的四床系统实施例中，每个床层类似地经过这样一系列步骤。第三个床层逆流减压至低于上述吸附压强上限时，从床层原料气入口采出的由氮气组成的排放气体，常被用作伴流吹扫气体，虽然它或其中的一部分可以作为高纯度的氮气产品回收。与此同时，第四个床层通过抽真空进一步逆流减压至低于大气压强的解吸压强。从该床层原料气入口采出的补充气体由高纯度氮气组成，可作为氮气产品回收，虽然它或其中的一部分可用作伴流吹扫气体。在逆流减压或排气时，从较高的吸附压强降至较低的压强，用采出的富氮气体作为伴流吹扫氮气来置换处于较高吸附压强的床层中的氧副产品是适宜的，因为如使用随后减压得到的气体作为伴流吹扫气体时，需要更多的再增压以达到较高的吸附压强。在这种情形下，在抽真空进一步减压至低于大气压强的解吸压强时，采出的高纯度氮气可作为所需氮气产品回收。不过如上所述，在后一步采出的氮气可用于伴流吹扫，而在最初的逆流减压过程中采出的上述氮气可作为产品气体回收，或者将上述每步逆流减压过程中采出的气体的一部分作为产品气体回收，而将其余部分作为伴流吹扫气体。虽然，可以根据所要求的分离程度，所选用的具体的吸附剂以及与给定的气体分离操作相关的条件，改变本发明变压吸附过程中各步骤所选择的压强，但是，必须使床层压强经抽真空逆流减压降至低于大气压的压强，使原料气体混合物中高纯度的氮或易吸附组份有效地解吸并回收。虽然，在本发明的各种实用实施例中，吸附压强的上限都超过了大气压强，但是，应该指出，在所述的过程中，选用的吸附压强的上限接近大气压强时也属于本发明的范畴。在这种情况下，每个床层在伴流吹扫后，最初被逆流减压至较低压强，其值必然低于大气压强，但仍然高于比大气压强低的解吸压强，这是在进一步逆流减压时达到的最终压强。在某些实施例中，用原料空气和(或)循环富氧副产气体使床层最初增压达到中等压强，其值可能大于或等于大气压强，虽然，在某些实施例中，它可能低于大气压强，因为在这些实施例中，吸附压强的上限约等于大气压强。在各种实用的实施例中，所采用的吸附压强的上限将达到约2.2大气压，最好为约2大气压，尽管也可采用更高的压强，例如4大气压或更高。如果在逆流解吸时，上述的较低压强约为大气压强和最初增压时的中等压强高于大气压强，那么低于大气压强的解吸压强可以约等于0.14大气压或更低，一般在0.14-0.24大气压范围内。以下例子将表明实施本发明可能得到的好处，但是这些例子并未限定权利要求中所确认的本发明的范围。例如在上表中所说明的那种三床系统，床层高8英呎，直径2英呎，每个床层中装有8英磅13X分子筛。这种分子筛能够选择性地吸附空气中的氮气。总循环时间为6分钟，包括增压、伴流吹扫和逆流减压(即排气和抽真空)步骤，每一步骤为2分钟。在增压步骤中，用100秒的时间连续加入原料空气，同时从床层的气体排放口加入副产气体进行“氧气回填”，而后，用20秒时间继续加入原料空气。在此20秒内，在伴流吹扫时采出的氮浓度高于预先给定值的副产气体也与原料空气一起加入至床层。在减压步骤中，最初15秒进行逆流减压或者排气，从床层原料气入口采出的富氮气体一部分用作伴流吹扫气体，其余部分作为产品气体回收。接着，用105秒时间进行真空减压，使床层压强降至低于大气压强的解吸压强。所采用的压强范围为0.22大气压(即上述的解吸压强)至2.2大气压(即上述的吸附压强上限)。在上述压强范围内进行伴流吹扫，而排气步骤一直进行到床层压强达到大气压强时为止。所用的原料空气为实验室用的空气，即纯氧和纯氮的混合物。采用上述过程可得到纯度为99.9%、原料气中氮的回收率大于98%的产品氮气，所得到的副产气体为纯度达90%的富氧气体。在另一个实施例中，操作条件类似于上述的三床系统，可得到纯度为99.8%、回收率大于99%的氮气产品，副产气体为纯度达93.6%的氧气。本领域的熟练技术人员将会理解，本发明能够使用任何一种作为商品出售的吸附剂，只要这些吸附剂能够从由易吸附组份与难吸...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特加里沃纳，霍默费伊，
申请(专利权)人：联合碳化公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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